כוחות בין-מולקולריים: נקודת רתיחה, לחץ אדים ומסיסות

משיכות בין מולקולות, לא קשרים בתוכן

קשרים קוולנטיים מחזיקים את אטומי המולקולה יחד. כוחות בין-מולקולריים (IMF) הם המשיכות החלשות בהרבה בין מולקולות נפרדות, והם מה שצריך להתגבר עליו כשנוזל רותח או מוצק נמס. כשמים רותחים, הגז שנוצר עדיין עשוי ממולקולות H₂O; שום קשר O–H אינו נשבר. רק המשיכות בין מולקולות שכנות מופרעות.

מכיוון שהכוחות האלה קובעים עד כמה חזק מולקולות נצמדות זו לזו, הם שולטים יחד בקבוצת תכונות פיזיקליות. IMF חזקים יותר פירושם בדרך כלל נקודת רתיחה גבוהה יותר, אנתלפיית התאדות גבוהה יותר, לחץ אדים נמוך יותר בטמפרטורה נתונה, ולעתים קרובות צמיגות ומתח פנים גבוהים יותר. אם אפשר לדרג IMF, אפשר בדרך כלל לדרג את כל אלה בבת אחת.

כוחות פיזור של לונדון בכל חומר

כוחות פיזור נוצרים מכיוון שפיזורי אלקטרונים משתנים. בכל רגע האלקטרונים במולקולה עשויים להיות מעט לא אחידים, ויוצרים דיפול זמני שמשרה דיפול תואם בשכנה. השתיים נמשכות לרגע, והדפוס חוזר על עצמו בכל הנוזל. כל אטום וכל מולקולה חווים כוחות פיזור, קוטביים או לא.

חוזק כוחות הפיזור תלוי בקיטוב, כלומר בקלות שבה אפשר לעוות את ענן האלקטרונים. מולקולות גדולות יותר עם יותר אלקטרונים ניתנות לקיטוב רב יותר, ולכן כוחות פיזור עולים בדרך כלל עם המסה המולרית בתוך משפחה של תרכובות דומות. גם הצורה חשובה: מולקולות ארוכות ומתוחות יש להן יותר שטח במגע עם שכנותיהן ממולקולות קומפקטיות ומסועפות של אותה נוסחה, ולכן הן נמשכות זו לזו חזק יותר.

אל תמעיטו בערך הפיזור. במולקולות גדולות הוא לעתים קרובות התרומה הגדולה ביותר למשיכה הכוללת, גם כשהמולקולה קוטבית.

משיכות דיפול–דיפול וקשר מימני

למולקולות קוטביות יש דיפולים קבועים, ולכן בנוזל הן נוטות להתמקם עם הקצה החלקי החיובי של מולקולה אחת ליד הקצה החלקי השלילי של אחרת. משיכת דיפול–דיפול זו מתווספת לכוחות הפיזור שנוכחים תמיד. כדי להחליט אם מולקולה קוטבית צריך גם את קוטביות הקשרים שלה וגם את צורתה.

קשר מימני הוא משיכת דיפול–דיפול חזקה במיוחד. הוא דורש אטום מימן הקשור קוולנטית לחנקן, לחמצן או לפלואור (התורם) וזוג בודד על אטום N, O או F סמוך (המקבל). קשר N–H, O–H או F–H קוטבי מאוד משאיר לאטום המימן הקטן מטען חלקי חיובי גדול שיכול להתקרב מאוד לזוג הבודד של המקבל.

מולקולה יכולה להיות מקבלת בלי להיות תורמת. לאצטון, (CH₃)₂CO, יש זוג בודד על חמצן אך כל המימנים שלו קשורים לפחמן, ולכן מולקולות אצטון אינן יכולות ליצור קשר מימני זו עם זו. הן יכולות, עם זאת, לקבל קשרים מימניים ממים, וזו אחת הסיבות לכך שאצטון מתערבב עם מים בכל יחס.

כוחות יון–דיפול והמסת מוצקים יוניים

כשמוצק יוני מתמוסס במים, כל יון מוקף במולקולות מים שמכוונות אליו: קצות החמצן החלקיים השליליים פונים אל קטיונים, וקצות המימן החלקיים החיוביים פונים אל אניונים. משיכת יון–דיפול זו משחררת מספיק אנרגיה כדי לקזז חלק גדול מהאנרגיה הדרושה להפרדת היונים מהגביש. המשיכה חזקה יותר ביונים בעלי מטען גבוה יותר וגודל קטן יותר.

כוחות יון–דיפול מסבירים למה אשלגן ברומיד מתמוסס בקלות במים אך כמעט לא בהקסאן, שאין לו דיפול למשוך יונים. הכלל הכללי "דומה ממיס דומה" מסכם זאת: חומרים מתמוססים הכי טוב בממסים שהכוחות הבין-מולקולריים שלהם דומים לשלהם. יוד, מולקולה לא קוטבית, מתמוסס היטב בהקסאן, שבו כוחות הפיזור בין מומס לממס דומים לאלה שבתוך כל חומר טהור.

דוגמה פתורה: שלושה נוזלים עם מסה מולרית כמעט זהה

דרגו בוטאן (CH₃CH₂CH₂CH₃), אצטון ((CH₃)₂CO) ו-1-פרופנול (CH₃CH₂CH₂OH) לפי נקודת רתיחה. קודם השוו מסות מולריות, בעזרת משקלים אטומיים סטנדרטיים של IUPAC מעוגלים לשני מקומות עשרוניים (H 1.01, C 12.01, O 16.00 g/mol). בוטאן, C₄H₁₀: 4(12.01) + 10(1.01) = 58.14 g/mol. אצטון, C₃H₆O: 3(12.01) + 6(1.01) + 16.00 = 58.09 g/mol. 1-פרופנול, C₃H₈O: 3(12.01) + 8(1.01) + 16.00 = 60.11 g/mol. המסות נבדלות בפחות מ-4%, ולכן כוחות הפיזור אמורים להיות דומים בערך וההבדלים יבואו מהקוטביות.

בשלב הבא סווגו את הכוחות. בוטאן מכיל רק קשרי C–C ו-C–H והוא לא קוטבי בעיקרו, ולכן יש לו כוחות פיזור בלבד. לאצטון יש קשר C=O קוטבי בסידור מישורי משולש שאינו מתבטל, ולכן הוא מוסיף כוחות דיפול–דיפול, אבל אין לו קשר O–H והוא אינו יכול לתרום קשרים מימניים. ל-1-פרופנול יש קבוצת O–H, ולכן הוא מוסיף קשר מימני. הניבוי הוא בוטאן < אצטון < 1-פרופנול.

NIST Chemistry WebBook מפרט נקודות רתיחה נורמליות של כ-273 K (0 °C) לבוטאן, 329.3 K (56.2 °C) לאצטון ו-370.3 K (97.2 °C) ל-1-פרופנול, בהמרה לפי T(°C) = T(K) − 273.15. הסדר תואם את הניבוי. אותו נימוק מדרג את לחץ האדים בטמפרטורת החדר בסדר הפוך: בוטאן הוא גז ב-25 °C, אצטון מתאדה במהירות, ו-1-פרופנול מתאדה לאט יותר.

דוגמה פתורה: כשגודל מולקולרי גובר על דיפול

עכשיו השוו דיאתיל אתר ((C₂H₅)₂O), 1-בוטנול (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) והקסאן (C₆H₁₄). דיאתיל אתר ו-1-בוטנול הם איזומרים, שניהם C₄H₁₀O: 4(12.01) + 10(1.01) + 16.00 = 74.14 g/mol. הקסאן כבד יותר: 6(12.01) + 14(1.01) = 86.20 g/mol. דיאתיל אתר קוטבי אך אין לו קשר O–H, 1-בוטנול יכול ליצור קשר מימני, והקסאן אינו קוטבי.

בין שני האיזומרים, קשר מימני מכריע: 1-בוטנול אמור לרתוח הרבה מעל דיאתיל אתר. הקסאן הוא המקרה המלמד. טיעון של קוטביות בלבד היה מציב אותו אחרון, אבל הקסאן גדול יותר, יש לו יותר אלקטרונים והוא שרשרת מתוחה, ולכן כוחות הפיזור שלו גדולים מסכום כוחות הפיזור של האתר ומשיכת הדיפול–דיפול החלשה שלו.

ערכי NIST מאשרים זאת: דיאתיל אתר 307.7 K (34.6 °C), הקסאן 341.9 K (68.8 °C) ו-1-בוטנול 390.6 K (בערך 117 °C). הלקח הוא שהשוואות קוטביות בטוחות ביותר בין מולקולות בגודל דומה. כשהגדלים שונים מאוד, שקלו קודם את הפיזור ואז שאלו אם דיפול או קשר מימני חזקים מספיק כדי להפוך אותו. גם מסיסות עוקבת אחר הכוחות: הקסאן כמעט אינו מסיס במים, ואילו 1-בוטנול, שיכול ליצור קשר מימני עם מים, מסיס חלקית.

שגיאות שכדאי להימנע מהן בהשוואת כוחות בין-מולקולריים

לפני הדירוג, רשמו כל כוח שיש לכל חומר ולא רק את החזק ביותר, וציינו את המסות המולריות. זה מונע את הטעות הנפוצה ביותר, השוואה של תוויות כמו "קוטבי" ו"לא קוטבי" בלבד תוך התעלמות מהגודל.

השגיאות שלהלן חוזרות שוב ושוב בהסברים על נקודת רתיחה ומסיסות.

• לומר שרתיחה שוברת קשרים קוולנטיים. רתיחה מפרידה בין מולקולות; המולקולות נשארות שלמות.
• לטעון לקשר מימני בכל מולקולה שמכילה מימן. המימן חייב להיות קשור ל-N, ל-O או ל-F.
• להתייחס לחומרים לא קוטביים כאל חסרי כוחות בין-מולקולריים. לכל החומרים יש כוחות פיזור.
• דירוג מולקולות בגדלים שונים מאוד לפי קוטביות בלבד, כפי שדוגמת ההקסאן מראה.
• היפוך מגמת לחץ האדים. IMF חזקים יותר פירושם לחץ אדים נמוך יותר ונקודת רתיחה גבוהה יותר.
• התייחסות ל"דומה ממיס דומה" כאל חוק ולא ככלל אצבע. מסיסות תלויה גם באנטרופיה ובטמפרטורה.